Delta-Sigma ADC

Een van de meer geavanceerde ADC-technologieën is de zogenaamde delta-sigma, of ΔΣ (met de juiste Griekse letternotatie). In wiskunde en natuurkunde staat de Griekse hoofdletter delta (Δ) voor verschil of wijzig , terwijl de hoofdletter sigma (Σ) staat voor sommatie :het optellen van meerdere termen bij elkaar. Soms wordt deze converter met dezelfde Griekse letters in omgekeerde volgorde aangeduid:sigma-delta of ΣΔ.

In een ΔΣ-omzetter is het analoge ingangsspanningssignaal verbonden met de ingang van een integrator, waardoor een veranderingssnelheid of helling van de spanning wordt geproduceerd aan de uitgang die overeenkomt met de ingangsgrootte. Deze oplopende spanning wordt vervolgens vergeleken met aardpotentiaal (0 volt) door een comparator.

De comparator fungeert als een soort 1-bit ADC en produceert 1 bit output (“hoog” of “laag”), afhankelijk van of de integratoruitgang positief of negatief is. De output van de comparator wordt dan vergrendeld via een D-type flip-flop geklokt op een hoge frequentie, en teruggekoppeld naar een ander ingangskanaal op de integrator, om de integrator in de richting van een 0 volt uitgang te sturen. Het basiscircuit ziet er als volgt uit:

Schematisch diagram

De meest linkse op-amp is de (sommerende) integrator. De volgende op-amp die de integrator invoert, is de comparator of 1-bit ADC. Vervolgens komt de D-type flip-flop, die de uitgang van de comparator bij elke klokpuls vasthoudt en een "hoog" of "laag" signaal naar de volgende comparator aan de bovenkant van het circuit stuurt.

Deze laatste comparator is nodig om de 0V / 5V logische uitgangsspanning van de flip-flop met enkele polariteit om te zetten in een +V / -V-spanningssignaal dat moet worden teruggevoerd naar de integrator. Als de integratoruitgang positief is, stuurt de eerste comparator een "hoog" signaal naar de D-ingang van de flip-flop.

Bij de volgende klokpuls wordt dit "hoge" signaal van de Q-lijn naar de niet-inverterende ingang van de laatste comparator gestuurd. Deze laatste comparator, die een ingangsspanning ziet die groter is dan de drempelspanning van 1/2 +V, verzadigt in een positieve richting en stuurt een volledig +V-signaal naar de andere ingang van de integrator.

Dit +V-terugkoppelingssignaal heeft de neiging om de integratoruitgang in een negatieve richting te sturen. Als die uitgangsspanning ooit negatief wordt, stuurt de feedbacklus een corrigerend signaal (-V) terug naar de bovenste ingang van de integrator om deze in een positieve richting te sturen.

Dit is het delta-sigma-concept in actie:de eerste comparator voelt een verschil (Δ) tussen de integratoruitgang en nul volt. De integrator sommen (Σ) de uitgang van de comparator met het analoge ingangssignaal.

Functioneel resulteert dit in een seriële bitstroom die door de flip-flop wordt uitgevoerd. Als de analoge ingang nul volt is, zal de integrator niet de neiging hebben om positief of negatief te stijgen, behalve in reactie op de feedbackspanning.

In dit scenario zal de uitgang van de flip-flop voortdurend oscilleren tussen "hoog" en "laag", terwijl het feedbacksysteem heen en weer "jaagt", in een poging de integratoruitgang op nul volt te houden:

Uitvoergolfvormen

Als we echter een negatieve analoge ingangsspanning toepassen, zal de integrator de neiging hebben om zijn uitgang in een positieve richting te laten stijgen. Feedback kan alleen bijdragen aan de ramping van de integrator door een vaste spanning over een vaste tijd, en dus zal de bitstroom die door de flip-flop wordt uitgevoerd niet helemaal hetzelfde zijn:

Door een groter (negatief) analoog ingangssignaal toe te passen op de integrator, dwingen we zijn uitgang om steiler in een positieve richting te stijgen. Het feedbacksysteem moet dus meer enen afgeven dan voorheen om de uitgang van de integrator weer op nul volt te brengen:

Naarmate het analoge ingangssignaal in grootte toeneemt, neemt ook het optreden van enen toe in de digitale uitgang van de flip-flop:

Een parallelle uitvoer van binaire getallen wordt verkregen uit deze schakeling door de seriële stroom van bits samen te middelen. Er zou bijvoorbeeld een tellerschakeling kunnen worden ontworpen om het totale aantal 1-uitgangen van de flip-flop in een bepaald aantal klokpulsen te verzamelen. Deze telling zou dan een indicatie zijn van de analoge ingangsspanning.

Er bestaan ​​variaties op dit thema, waarbij gebruik wordt gemaakt van meerdere integratortrappen en/of comparatorcircuits die meer dan 1 bit uitvoeren, maar één concept dat alle ΔΣ-converters gemeen hebben, is dat van oversampling . Oversampling is wanneer meerdere samples van een analoog signaal worden genomen door een ADC (in dit geval een 1-bit ADC), en die gedigitaliseerde samples worden gemiddeld.

Het eindresultaat is een effectieve toename van het aantal uit het signaal opgeloste bits. Met andere woorden, een overbemonsterde 1-bits ADC kan hetzelfde werk doen als een 8-bits ADC met eenmalige bemonstering, zij het met een lagere snelheid.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad analoog-naar-digitaal conversie